第一章机械控制基础课件

1、控制工程基础控制工程基础 主讲人：杨艳主讲人：杨艳 2 课程简介课程简介 课程课程性质性质：现代机械学中的一门重要：现代机械学中的一门重要技术基础课技术基础课。 教学学时教学学时：(42+6)学时学时 先修课程先修课程：复变函数、积分变换、机械动力学、电学理论等：复变函数、积分变换、机械动力学、电学理论等 后续课程后续课程：为专业基础和专业课打下一定基础。如：机电一体化技术、机：为专业基础和专业课打下一定基础。如：机电一体化技术、机 械工程测试技术、机电传动控制、材料成型及控制工程等。械工程测试技术、机电传动控制、材料成型及控制工程等。 课程目的课程目的：本课程是数学物理等基础课与专业课程之间

2、的：本课程是数学物理等基础课与专业课程之间的桥梁桥梁。通过本课。通过本课 程学习，学会运用程学习，学会运用“系统系统”、“动态动态”的观点，运用控制理论的方法，的观点，运用控制理论的方法， 解决机械工程中的实际问题。解决机械工程中的实际问题。 3 课程简介课程简介 教教 材材： 董景新主编董景新主编控制工程基础控制工程基础,清华大学出版社，清华大学出版社，2012 参考书目参考书目： （1）杨叔子编）杨叔子编机械工程控制基础机械工程控制基础，华中科技大学出版社，华中科技大学出版社，2005 （2）王积伟）王积伟 吴振顺主编：吴振顺主编：控制工程基础控制工程基础，高等教育出版社，高等教育出版社，

3、2001 （3）田玉平主编：）田玉平主编：自动控制原理自动控制原理，科学出版社，科学出版社，2006 （4）陈康宁主编：）陈康宁主编：机械工程控制基础机械工程控制基础 ，西安交大出版社西安交大出版社 ，2006 教材结构教材结构： 1）对研究对象（机械工程）问题建立数学模型，）对研究对象（机械工程）问题建立数学模型，第二章第二章 2) 在一定输入下分析系统的输出：在一定输入下分析系统的输出： 时间响应（时域分析）时间响应（时域分析） 第三章第三章 频率响应（频率分析）频率响应（频率分析）第四章第四章 3）系统性能分析：稳定性判据）系统性能分析：稳定性判据 第五章第五章 4）系统校正：使系统全面

4、满足性能指标要求）系统校正：使系统全面满足性能指标要求 第七章第七章 4 课程体系课程体系 Chp.3 Chp.1 Chp.2 Chp.4 Chp.6 Chp.5 系统系统数学模型数学模型 时域分析时域分析 频域分析频域分析 瞬态响应分析瞬态响应分析 稳定性分析稳定性分析 系统校正系统校正 课程成绩确定方法：课程成绩确定方法： 本课程将注重过程，采用过程评价体系。成绩主本课程将注重过程，采用过程评价体系。成绩主 要由平时成绩、实验成绩、考试成绩三部分组成。每要由平时成绩、实验成绩、考试成绩三部分组成。每 项说明如下：项说明如下： 1.平时成绩：到课率、迟到早退情况、作业情况、回平时成绩：到课率

5、、迟到早退情况、作业情况、回 答问题情况、答问题情况、上课情况上课情况等等 2.实验：实验准备实验：实验准备情况情况及平时做实验的完成情况及平时做实验的完成情况 3.考试：闭卷，卷面考试成绩考试：闭卷，卷面考试成绩 最终成绩的给定大约按如下公式得到：最终成绩的给定大约按如下公式得到： 平时成绩平时成绩+实验实验+考试成绩考试成绩 三者比重大约分别为：三者比重大约分别为：10%、20 % 、70% 上课将会有提问、点名，课堂练习；上课将会有提问、点名，课堂练习； 课后将会有作业，记入平时成绩课后将会有作业，记入平时成绩 6 第一章第一章 绪绪 论论 7 基本要求基本要求 1. 了解机械工程控制论

6、的基本含义和研究对象，学习本课了解机械工程控制论的基本含义和研究对象，学习本课 程的目的和任务；程的目的和任务； 2. 正确理解自动控制系统的基本概念，掌握反馈的含义正确理解自动控制系统的基本概念，掌握反馈的含义； 3. 了解广义系统的分类，掌握闭环了解广义系统的分类，掌握闭环控制系统的工作原理、控制系统的工作原理、 基本组成，学会控制系统方框图的绘制方法基本组成，学会控制系统方框图的绘制方法； 4. 掌握掌握对控制系统的基本要求对控制系统的基本要求。 8 重点与难点重点与难点 本章重点本章重点 （ 1） 学会用系统论、信息论的观点分析广义系统的动态特性、学会用系统论、信息论的观点分析广义系统

7、的动态特性、 信息流，信息流， 理解信息反馈的含义及其作用。理解信息反馈的含义及其作用。 （ 2） 掌握控制系统的基本概念、基本变量、基本组成和工作掌握控制系统的基本概念、基本变量、基本组成和工作 原理；原理； 绘制控制系统方框图。绘制控制系统方框图。 本章难点本章难点 广义系统的信息反馈及控制系统方框图的绘制。广义系统的信息反馈及控制系统方框图的绘制。 9 海洋探测机器人海洋探测机器人 19901990年日本海洋科技中心年日本海洋科技中心 研制的研制的“海沟号海沟号”缆控式缆控式 无人潜水器（左）及其在大海中工作时的情况（右）无人潜水器（左）及其在大海中工作时的情况（右） 控制技术的应用控制

8、技术的应用 10 CR-01CR-01型型60006000米水下无缆机器米水下无缆机器 人人 19951995年年8 8月我国沈阳自动化所机器人月我国沈阳自动化所机器人 中心研制的中心研制的CR-01CR-01型型60006000米水下无缆米水下无缆 机器人（上）和正在下水的情况（右）机器人（上）和正在下水的情况（右） “蛟龙”号中国载人深潜器 11 家家 用用 电电 器器 冰箱、洗衣机冰箱、洗衣机 家庭影院家庭影院 微波炉微波炉 控制技术控制技术 应用举例应用举例 (2)(2) U U盘、盘、MP4MP4、MP5MP5 手机应用产品手机应用产品 12 智能楼宇的控制智能楼宇的控制 控制技术控

9、制技术 应用举例应用举例 (3)(3) 可视对讲、室内报警、远程家电控制可视对讲、室内报警、远程家电控制. . 13 汽车电子汽车电子 汽汽 车车 电电 子子 电源电源 发动机控制发动机控制 行驶装置行驶装置 报警与安全装置报警与安全装置 旅居性旅居性 仪表仪表 娱乐通讯娱乐通讯 收音机、汽车电话、业余电台收音机、汽车电话、业余电台 点火装置、燃油喷射控制、点火装置、燃油喷射控制、 发动机电子控制发动机电子控制 车速控制、间歇刮水、车速控制、间歇刮水、 除雾装置、车门紧锁除雾装置、车门紧锁. . 安全带、车灯未关报警、安全带、车灯未关报警、 速度报警、安全气囊速度报警、安全气囊. . 空调控制

10、、动力窗控制空调控制、动力窗控制 里程表、数字式速度表、里程表、数字式速度表、 出租车用仪表出租车用仪表. . 控制技术控制技术 应用举例应用举例 (4)(4) 14 机机 电电 EVEV 充电系统充电系统 电池管理系统电池管理系统 汽车照明、汽车照明、 电动转向、空调、电动转向、空调、 音响、雨刷、安全音响、雨刷、安全 报警、电动门窗报警、电动门窗 . . 电电 子子机械机械 驱动控制系统驱动控制系统 电机驱动系统电机驱动系统 控制控制 控制控制 15 口语汽车导航系统使用情景示意图口语汽车导航系统使用情景示意图 汽车汽车GPSGPS定位，定位，GISGIS导航，导航，GSMGSM通信通信

11、单片机单片机 控制器控制器 应用应用 16 1. 概述 控制理论是在产业革命的背景下，在生产和军 事需求的刺激下，自动控制、电子技术、计算机科学 等多种学科相互交叉发展的产物。 根据自动控制理论的内容和发展的不同阶段，控 制理论可分为“经典控制理论经典控制理论”和“现代控制理论现代控制理论” 两大部分。 17 控制论发展概况控制论发展概况 l 一千多年前：铜壶滴漏计时器、指南针、各种天文仪器一千多年前：铜壶滴漏计时器、指南针、各种天文仪器 西汉漏壶 时时 间间 刻刻 度度 浮子浮子 铜壶滴漏铜壶滴漏 开闭庙门和分发开闭庙门和分发 圣水等自动装置圣水等自动装置 18 l 17881788年：年：

12、J. Watt J. Watt 发明蒸汽发明蒸汽 机调速器机调速器 l 18681868年：年：J. C. MaxwellJ. C. Maxwell发表发表 调速器调速器，提出反馈控制，提出反馈控制 的概念及稳定性条件。的概念及稳定性条件。 l 18841884年：年：E. J. RouthE. J. Routh提出劳斯稳定性判据。提出劳斯稳定性判据。 l 18921892年：年：A. M. LyapunovA. M. Lyapunov提出李雅普诺夫稳定提出李雅普诺夫稳定 性理论。性理论。 调速器调速器 19 l 1895 1895年：年：A. HurwifzA. Hurwifz提出赫尔维茨稳

13、定性判据。提出赫尔维茨稳定性判据。 l 1932 1932年：年：H. NyquistH. Nyquist提出奈奎斯特稳定性判据。提出奈奎斯特稳定性判据。 l 1945 1945年：年：H. W. BodeH. W. Bode提出反馈放大器的一般设计方法。提出反馈放大器的一般设计方法。 l 1948 1948年：年：N. WienerN. Wiener发表发表控制论控制论，标志经典控制，标志经典控制 理论基本形成；经典控制理论以传递函数为基础，主要理论基本形成；经典控制理论以传递函数为基础，主要 研究单输入研究单输入单输出（单输出（SISOSISO）系统的分析和控制问题；）系统的分析和控制问题

14、； l 1950 1950年：年：W. R. EvansW. R. Evans提出根轨迹法，进一步充实了经提出根轨迹法，进一步充实了经 典控制论；典控制论； 20 l 19541954年：钱学森发表年：钱学森发表工程控制论工程控制论； l 5050年代末年代末6060年代初：年代初：现代控制理论形成现代控制理论形成；现代控制理；现代控制理 论以状态空间法为基础，主要分析和研究多输入论以状态空间法为基础，主要分析和研究多输入- -多输出多输出 ( MIMO )( MIMO )、时变、非线性等系统的最优控制、最优滤波、时变、非线性等系统的最优控制、最优滤波、 系统辨识、自适应控制、智能控制等问题；

15、控制理论研系统辨识、自适应控制、智能控制等问题；控制理论研 究的重点开始由频域移到从本质上说是时域的状态空间究的重点开始由频域移到从本质上说是时域的状态空间 方法。方法。 21 l 19561956年：蓬特里亚金（年：蓬特里亚金（PontryaginPontryagin）提出极大值原理）提出极大值原理 l 19571957年：年：R. I. BellmanR. I. Bellman提出动态规划理论提出动态规划理论 l 19601960年：年：R. E. KalmanR. E. Kalman提出卡尔曼滤波理论提出卡尔曼滤波理论 l 1960196019801980年：确定性系统的最优控制、随机系

16、统的年：确定性系统的最优控制、随机系统的 最优控制、复杂系统的自适应和自学习控制最优控制、复杂系统的自适应和自学习控制 l 19801980迄今：鲁棒控制、迄今：鲁棒控制、H H 控制、非线性控制、智能控控制、非线性控制、智能控 制、模糊控制等制、模糊控制等 22 从从18681868年麦克斯威尔（年麦克斯威尔（J.C.MaxwellJ.C.Maxwell）提出）提出 低阶系统稳定性判据至今一百多年里，自低阶系统稳定性判据至今一百多年里，自 动控制理论的发展可分为动控制理论的发展可分为三个主要阶段：三个主要阶段： 第一阶段：第一阶段：经典控制理论（或古典控制理论）的产生、发经典控制理论（或古典

17、控制理论）的产生、发 展和成熟；展和成熟； 第二阶段：第二阶段：现代控制理论的兴起和发展；现代控制理论的兴起和发展； 第三阶段：第三阶段：大系统控制兴起和发展及智能控制发展阶段。大系统控制兴起和发展及智能控制发展阶段。 23 1.2 自动控制系统的基本概念 控制控制: 对对象施加某种操作，使其产生所期望的行为。对对象施加某种操作，使其产生所期望的行为。 自动控制自动控制: 在没有人直接参与的情况下，利用外在没有人直接参与的情况下，利用外 加的设备或装置（称为控制装置或控制器），使加的设备或装置（称为控制装置或控制器），使 机器、设备或生产过程（通称被控对象）的某个机器、设备或生产过程（通称被控

18、对象）的某个 工作状态或参数（即被控量）自动地按照预定的工作状态或参数（即被控量）自动地按照预定的 规律运行。规律运行。 例例.典型控制系统：数控机床、机车、船舶及飞机自动驾驶、导弹典型控制系统：数控机床、机车、船舶及飞机自动驾驶、导弹 制导等。制导等。 一、自动控制一、自动控制 24 例例. .控制实例控制实例- -液面控制液面控制 人工控制人工控制 自动控制自动控制 25 二、控制系统的工作原理及其组成二、控制系统的工作原理及其组成 加热电阻丝加热电阻丝 220V220V 调压器调压器 人工控制的恒温箱人工控制的恒温箱 温度计温度计例：例： 26 人工控制恒温箱调节过程工控制恒温箱调节过程

19、： 观测恒温箱内的温度（被控制量）；观测恒温箱内的温度（被控制量）； 与要求的温度（给定值）进行比较，得到温度偏差的与要求的温度（给定值）进行比较，得到温度偏差的 大小和方向；大小和方向； 根据偏差大小和方向调节调压器，控制加热电阻丝的根据偏差大小和方向调节调压器，控制加热电阻丝的 电流以调节温度回复到要求值电流以调节温度回复到要求值。 27 人工控制过程的实质：人工控制过程的实质：检测偏差再纠正偏差检测偏差再纠正偏差。 大脑大脑手手调压器调压器恒温箱恒温箱 眼睛眼睛 实际实际 温度温度 期望期望 温度温度 人工控制恒温箱系统功能框图人工控制恒温箱系统功能框图 温度计温度计 28 加热电阻丝加

20、热电阻丝 220V220V 调压器调压器 热电偶热电偶 给定信号给定信号 比较比较 电压电压 放大器放大器 功率功率 放大器放大器 执行执行 电动机电动机 减速器减速器 u u2 2 u u1 1 + + + u u 恒温箱自动控制系统恒温箱自动控制系统 例：例： 29 恒温箱自动控制系统工作原理：恒温箱自动控制系统工作原理： 恒温箱实际温度由热电偶转换为对应的电压恒温箱实际温度由热电偶转换为对应的电压u u2 2； 恒温箱期望温度由电压恒温箱期望温度由电压u u1 1给定，并与实际温度给定，并与实际温度u u2 2比较得到温比较得到温 度偏差信号度偏差信号 u uu u1 1 u u2 2；

21、 ； 温度偏差信号经电压、功率放大后，用以驱动执行电动机，并温度偏差信号经电压、功率放大后，用以驱动执行电动机，并 通过传动机构拖动调压器动触头。当温度偏高时，动触头向减通过传动机构拖动调压器动触头。当温度偏高时，动触头向减 小电流的方向运动，反之加大电流，直到温度达到给定值为止，小电流的方向运动，反之加大电流，直到温度达到给定值为止， 此时，偏差此时，偏差 u u0 0，电机停止转动。，电机停止转动。 30 给定给定 信号信号 电压电压 功率功率 放大器放大器 控制控制 电机电机 减减 速速 器器 调调 压压 器器 恒温箱恒温箱 ( (控制控制 对象对象) ) 热电偶热电偶 u u1 1 u

22、 u2 2 u u u ua an nv vu u 温度温度t t ( (被控量被控量) ) 扰动扰动 恒温箱自动控制系统功能框图恒温箱自动控制系统功能框图 31 输出量（全部或一部分）通过测量装置返回系统的输出量（全部或一部分）通过测量装置返回系统的 输入端，使之与输入量进行比较，产生输入端，使之与输入量进行比较，产生偏差偏差（给定信号（给定信号 与返回的输出信号之差）信号。与返回的输出信号之差）信号。 输出量的返回过程称为输出量的返回过程称为反馈反馈。返回的全部或部分输出。返回的全部或部分输出 信号称为信号称为反馈信号反馈信号。 从恒温箱控制系统功能框图可见从恒温箱控制系统功能框图可见：

23、给定量位于系统的输入端，称为给定量位于系统的输入端，称为系统输入量系统输入量。 也称为也称为参考输入量参考输入量（信号信号）。）。 被控制量位于系统的输出端，称为被控制量位于系统的输出端，称为系统输出量系统输出量。 32 反馈分类 n外反馈：外反馈：相对于被控对象而言，由附加的反馈控制装 置引起的信息交换。 n内反馈内反馈：系统内部的信息交互； 反映系统内部元素之间互为因果的关系， 反映系统的动态特性 n负反馈：负反馈：输出（被控量）偏离设定值（目标值）时， 反馈作用使输出偏离程度减小，并力图达到设定值。 33 综上所述，控制系统的工作原理：综上所述，控制系统的工作原理： 检测输出量（被控制量

24、）的实际值；检测输出量（被控制量）的实际值； 将输出量的实际值与给定值（输入量）进行比将输出量的实际值与给定值（输入量）进行比 较得出偏差；较得出偏差； 用偏差值产生控制调节作用去消除偏差，使得用偏差值产生控制调节作用去消除偏差，使得 输出量维持期望的输出。输出量维持期望的输出。 显然，自动控制系统控制方式是显然，自动控制系统控制方式是“检测偏差再纠正偏差检测偏差再纠正偏差”。 这种基于反馈原理，能对输出量与参考输入量进行比较，这种基于反馈原理，能对输出量与参考输入量进行比较， 并力图保持两者之间既定关系的系统。称为并力图保持两者之间既定关系的系统。称为反馈控制系统反馈控制系统。 反馈控制系统

25、具备反馈控制系统具备测量测量、比较比较和和执行执行三个基本功能。三个基本功能。 34 1.2.1研究对象与任务研究对象与任务 控制论控制论+工程技术工程技术工程控制论工程控制论 控制论控制论+机械工程机械工程机械工程控制机械工程控制 研究对象研究对象：研究：研究广义系统广义系统在一定在一定外界条件外界条件下，从系统下，从系统初始状态初始状态 出发所经历的由其内部出发所经历的由其内部固有特性固有特性所决定的整个所决定的整个动态历程。动态历程。 （1） 广义系统广义系统: (a )可大可小，可繁可简，可虚可实。可大可小，可繁可简，可虚可实。 （b）一般可建立数学模型：微分方程、传递函数、频率响）一

26、般可建立数学模型：微分方程、传递函数、频率响 应函数等应函数等 （c）系统具有固有特性，由结构和参数决定）系统具有固有特性，由结构和参数决定 （2）外界条件外界条件：指对系统的输入（激励）：指对系统的输入（激励） 包括人为激励、控制输入、干扰输入等包括人为激励、控制输入、干扰输入等 35 1.2.1研究对象与任务研究对象与任务 分析系统，就是分析分析系统，就是分析x(t)、g(t)、y(t)三者关系（动态历程）三者关系（动态历程） （3）初始条件初始条件：系统在：系统在x(0-)时的状态。时的状态。 x(0-）视为一种特殊）视为一种特殊 的输入。的输入。 （4）动态历程动态历程：即系统的输出：

27、即系统的输出y(t)随随t而变化的过程，而变化的过程， 或系统从一种稳态到另一稳态之间所经历的过程。或系统从一种稳态到另一稳态之间所经历的过程。 动态特性动态特性：系统在过渡过程中，输出响应的：系统在过渡过程中，输出响应的快速性快速性和和平稳性平稳性 静态特性静态特性：过渡过程结束后，系统工作的：过渡过程结束后，系统工作的准确性准确性（稳态误差）（稳态误差） 36 控制系统瞬态和稳态过程控制系统瞬态和稳态过程 37 1.2.1研究对象与任务研究对象与任务 （5）系统）系统研究类型研究类型： （a） h(t)已定，已定， x(t)已知，求出已知，求出y(t)，通过，通过y(t)研究系研究系 统本

28、身问题统本身问题系统分析系统分析 （b) h(t)已定，已定， 确定确定x(t)，使，使y(t)符合给定最佳要求符合给定最佳要求 最优控制最优控制 （c） x(t)已知，确定已知，确定h(t)，使，使y(t)符合给定最佳要求符合给定最佳要求 最优设计最优设计 （d） x(t)已知，确定已知，确定h(t)，以识别，以识别x(t)的有关信息的有关信息 滤波与预测滤波与预测 （e） x(t) 、y(t)已知，确定已知，确定h(t)的结构与参数（即建立的结构与参数（即建立 数学模型）数学模型）系统识别或辩识系统识别或辩识 38 1.2.2系统及其模型系统及其模型 n系统：由相互联系、相互作用的若干部分

29、构成， 具有一定的目的或运动规律的一个整体。 n系统与元件区别 k y(t) f(t) m my(t)ky(t)f(t) 39 1.2.2系统及其模型系统及其模型 n机械系统机械系统：以实现一定的机械运动、承 受一定的机械载荷为目的，有机械元件 组成的系统 激励激励响应响应 控制：人为的有意识地加上去的激励 扰动：偶然的产生而无法完全人为控制的激励 40 1.2.2系统及其模型系统及其模型 n模型（数学模型）：模型（数学模型）：是指用数学方法所描述的 抽象的理论模型，用来表达系统内部各部分之 间，或系统与外界环境之间的关系。 n静态模型：静态模型：反映系统在恒定载荷或缓变载荷作 用下或在系统平

30、衡状态下的特性 现时输入 现时输出 代数公式描述代数公式描述 n动态模型：动态模型：系统在迅变载荷或在系统不平衡状 态下的特性。 输入及之前的时间历程 输出 微分方程微分方程 41 1.2.31.2.3系统的分类及对控制系统的基本要求系统的分类及对控制系统的基本要求 1 1、开环控制与闭环控制、开环控制与闭环控制 实际的控制系统根据有无反馈作用可分为：实际的控制系统根据有无反馈作用可分为： 开环控制系统开环控制系统 闭环控制系统闭环控制系统 42 开环控制系统开环控制系统 特点特点：系统仅受输入量和扰动量控制；输出端和输入端之间不存在系统仅受输入量和扰动量控制；输出端和输入端之间不存在 反馈回

31、路；输出量在整个控制过程中对系统控制不产生任何影响。反馈回路；输出量在整个控制过程中对系统控制不产生任何影响。 优点优点：简单、稳定、可靠。若组成系统的元件特性和参数值比简单、稳定、可靠。若组成系统的元件特性和参数值比 较稳定，且外界干扰较小，开环控制能够保持一定的精度。较稳定，且外界干扰较小，开环控制能够保持一定的精度。 控制器控制器对象或过程对象或过程 输入量输入量输出量输出量 开环控制系统框图开环控制系统框图 缺点缺点：精度通常较低、无自动纠偏能力。：精度通常较低、无自动纠偏能力。 43 闭环控制系统闭环控制系统 特点特点：输出端和输入端之间存在反馈回路，输出量对控制过程有输出端和输入端

32、之间存在反馈回路，输出量对控制过程有 直接影响。闭环的作用：应用反馈，减少偏差。直接影响。闭环的作用：应用反馈，减少偏差。 优点优点：精度高，对外部扰动和系统参数变化不敏感。精度高，对外部扰动和系统参数变化不敏感。 控制器控制器对象或过程对象或过程 输入量输入量输出量输出量 测量元件测量元件 闭环控制系统框图闭环控制系统框图 反馈量反馈量 缺点缺点：存在稳定、振荡、超调等问题，系统性能分析和设计存在稳定、振荡、超调等问题，系统性能分析和设计 麻烦。麻烦。 44 闭环控制系统的组成闭环控制系统的组成 给定给定 元件元件 + 串联校正串联校正 元件元件 放大变换放大变换 元件元件 执行执行 元件元

33、件 控制控制 对象对象 _ + _ 并联校正并联校正 元件元件 局部局部 反馈反馈 反馈元件反馈元件 主反主反 馈馈 控制部分控制部分 比较比较 元件元件 比较比较 元件元件 输入信号输入信号 x xi i 偏差信号偏差信号 e e 主反馈信号主反馈信号 x xb b 扰动信号扰动信号 输出输出 x xo o 闭环控制系统的组成闭环控制系统的组成 45 反馈元件反馈元件 测量被控制量（输出量），产生反馈信号。测量被控制量（输出量），产生反馈信号。 为便于传输，反馈信号通常为电信号。为便于传输，反馈信号通常为电信号。 比较元件比较元件 对给定信号和反馈信号进行比较，产生偏差对给定信号和反馈信号进

34、行比较，产生偏差 信号；信号； 放大元件放大元件 对偏差信号进行放大，使之有足够的能量驱对偏差信号进行放大，使之有足够的能量驱 动执行元件实现控制功能。动执行元件实现控制功能。 给定元件给定元件 产生给定信号或输入信号。产生给定信号或输入信号。 执行元件执行元件 直接对受控对象进行操纵的元件；如电动机、直接对受控对象进行操纵的元件；如电动机、 液压马达等；液压马达等； 校正元件校正元件 用以改善系统控制质量的装置。用以改善系统控制质量的装置。 46 2、按数学模型分类（线性系统和非线性系统）、按数学模型分类（线性系统和非线性系统） 线性系统线性系统 由线性元件组成，输入输出间具有叠由线性元件组

35、成，输入输出间具有叠 加性和均匀性性质，以线性微分方程加性和均匀性性质，以线性微分方程 来表述。来表述。 非线性系统非线性系统 系统中有非线性元件，输入系统中有非线性元件，输入 输出间不具有叠加性和均匀输出间不具有叠加性和均匀 性性质。用非线性微分方程性性质。用非线性微分方程 来表述。来表述。 47 定常系统和时变系统定常系统和时变系统 3、按时间概念分、按时间概念分 定常系统：系统中所有参数都不随时间变化 时变系统： 48 4 4、按给定量的运动规律分、按给定量的运动规律分 恒值控制系统恒值控制系统 系统输入量为恒定值。控制任务是保证在任何扰动作用系统输入量为恒定值。控制任务是保证在任何扰动

36、作用 下系统的输出量为恒值。下系统的输出量为恒值。 程序控制系统程序控制系统 输入量的变化规律预先确知，输入装置根据输入的变化输入量的变化规律预先确知，输入装置根据输入的变化 规律，发出控制指令，使被控对象按照指令程序的要求而运规律，发出控制指令，使被控对象按照指令程序的要求而运 动。如数控加工系统。动。如数控加工系统。 随动系统（伺服系统）随动系统（伺服系统） 输入量的变化规律不能预先确知，其控制要求是输出量输入量的变化规律不能预先确知，其控制要求是输出量 迅速、平稳地跟随输入量的变化，并能排除各种干扰因素的迅速、平稳地跟随输入量的变化，并能排除各种干扰因素的 影响，准确地复现输入信号的变化

37、规律。影响，准确地复现输入信号的变化规律。 49 5、按系统中传递信号的性质分类按系统中传递信号的性质分类 连续控制系统连续控制系统 系统中各部分传递的信号为随时间连续变化的信号。连系统中各部分传递的信号为随时间连续变化的信号。连 续控制系统通常采用微分方程描述。续控制系统通常采用微分方程描述。 离散（数字）控制系统离散（数字）控制系统 系统中某一处或多处的信号为脉冲序列或数字量传递系统中某一处或多处的信号为脉冲序列或数字量传递 的系统。离散控制系统通常采用差分方程描述。的系统。离散控制系统通常采用差分方程描述。 50 6 6、其它分类系统、其它分类系统 机械、电气、机电、液压、气动、热力等机

38、械、电气、机电、液压、气动、热力等 控制系统控制系统 温度、压力、位置等控制系统温度、压力、位置等控制系统 51 系统中的系统中的量量 1、 输出量（被控量、被控参量）输出量（被控量、被控参量）x0：最终控制的目标值。：最终控制的目标值。 2、控制量（给定量）控制量（给定量）xi：根据设计要求与输出量相适应的：根据设计要求与输出量相适应的 预先给定信号。预先给定信号。 3、干扰量（扰动量）：引起输出变化的各种外部和内部条干扰量（扰动量）：引起输出变化的各种外部和内部条 件，属于一种偶然的无法人为控制的随机输入信号。件，属于一种偶然的无法人为控制的随机输入信号。 4、 输入量：控制量与干扰量的总

39、称，一般多指控制量。输入量：控制量与干扰量的总称，一般多指控制量。 5、 反馈量：由输出端引回到输入端的量。反馈量：由输出端引回到输入端的量。 6、 偏差量：控制量与反馈量之差。偏差量：控制量与反馈量之差。 7、 误差量：实际输出量与希望输出量之差值。误差量：实际输出量与希望输出量之差值。 e (t)=x0 (t)x0*(t) 52 1.2.5对控制系统的基本要求 （1）稳定性 稳定性就是指系统动态过程的振荡倾向和系统恢复平衡 状态的能力。输出量偏离平衡状态后应随着时间收敛并且回 到初始的平衡状态。 稳定性是系统工作的首要条件。 稳稳 准准 快快 53 （2）快速性 这是在系统稳定的前提下提出

40、的。指当系统输 出量与给定的输入量之间产生偏差时，消除这种偏 差过程的快速程度。 （3）准确性 指调整过程结束后，输出量与给定的输入量 之间的偏差，即静态精度（稳态精度），这也 是衡量系统工作性能的重要指标。 1.2.5对控制系统的基本要求 54 注意：注意： 不同性质的控制系统，对稳定性、精确性和快不同性质的控制系统，对稳定性、精确性和快 速性要求各有侧重。速性要求各有侧重。 系统的稳定性、精确性、快速性相互制约，应系统的稳定性、精确性、快速性相互制约，应 根据实际需求合理选择。根据实际需求合理选择。 55 1.3 本课程的特点和学习方法 一、本课程的主要内容和特点一、本课程的主要内容和特点

41、 1 1、主要内容、主要内容 介绍经典控制理论的基础知识，包括：介绍经典控制理论的基础知识，包括： 控制系统数学模型的建立控制系统数学模型的建立 控制系统的时域分析控制系统的时域分析 控制系统的频域分析控制系统的频域分析 控制系统稳定性分析控制系统稳定性分析 控制系统的设计和校正控制系统的设计和校正 56 2 2、课程特点、课程特点 内容丰富，理论性较强内容丰富，理论性较强 基础知识要求高，技术更新快基础知识要求高，技术更新快 紧密联系实际，研究带有普遍性紧密联系实际，研究带有普遍性 57 二、本课程的学习方法二、本课程的学习方法 思考问题，提出问题，解决问题思考问题，提出问题，解决问题 重视抽象思维与实际结合重视抽象思维与实际结合 重视习题，独立完成作业重视习题，独立完成作业 58 例例1.11.1设电热水器如下图所示。为了保持希望的温度，由温控开设电热水器如下图所示。为了保持希望的温度，由温控开 关接通或断开电加热器的电源。在使用热水时